CN114869477A - 一种机械臂末端夹持装置及具有其的手术导航机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机械臂末端夹持装置及手术导航机器人，包括机械臂末端、超声刀锁紧装置、视觉跟踪标识装置和连接部；超声刀锁紧装置通过连接部与机械臂末端紧固连接；超声刀置于超声刀锁紧装置内并紧固；视觉跟踪标识装置安装在超声刀锁紧装置上，且位于超声刀上方；机械臂运动带动超声刀运动。本发明的机械臂末端夹持装置，使超声刀与机械臂连接，无需手术操作人员持续手持超声刀进行作业，解决了人手操作易疲劳，提高手术操作精度和效率；视觉跟踪标识装置始终位于超声刀上方，保证标识板始终可以被图像采集设备识别。

Description

一种机械臂末端夹持装置及具有其的手术导航机器人
技术领域
本发明属于医疗器械中的手术机器人技术领域，具体涉及一种机械臂末端夹持装置及具有其的手术导航机器人。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术或现有技术。
通常的骨科手术中，医生需手持超声骨刀进行组织切割，手术过程中的定位精度难以保证，且医生长时间站立并手持超声刀进行手术也很容易疲劳，从而失去对力度准确性的判断力，影响手术质量；也就是说，对手术人员的操作经验要求以及操作稳定性都有较高的要求。
近年来，手术导航机器人的出现，在一定程度上解决了上述技术问题，其可以模拟人手操作，同时满足操作灵活度、准确度及稳定性的要求；还可以进行人手操作很难触及的狭小空间的精细手术。而这其中，手术导航机器人的末端结构就成为了其关键组成部分，合理的结构设计能够进一步提高手术导航机器人的定位精度。
如发明专利申请(CN113081270A)提出的一种机器人手术的末端夹持装置，综合其技术特征分析，结构非常复杂，特别是超声刀在术中向前倾斜时，相机无法识别到标识板，极易引发机器人安全策略，导致机器人停止动作；以及末端位姿调整时，超声骨刀经常会由于视角原因挡住标识板，导致标识板无法被识别；上述问题都会给手术带来操作风险，影响手术质量，因此有待对相关技术进行优化。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种机械臂末端夹持装置及手术导航机器人，其能全部或部分的解决上述问题。
本发明的一个方面，提供了一种机械臂末端夹持装置，包括：机械臂末端、超声刀锁紧装置、视觉跟踪标识装置和连接部；其中，超声刀锁紧装置通过连接部与机械臂末端紧固连接；超声刀置于超声刀锁紧装置内并紧固；视觉跟踪标识装置安装在超声刀锁紧装置上，且位于超声刀上方；机械臂运动带动超声刀运动。
可选的，机械臂末端包括：末端法兰、传感器和传感器固定件；使用若干组紧固螺栓依次将末端法兰、传感器和传感器固定件进行紧固装配，形成一体结构，并与机械臂连接。
可选的，传感器使用力传感器，力传感器可与机械臂的控制装置电连接，从而实现电信号传输。
可选的，超声刀锁紧装置包括：底座、固定板和销轴；其中，底座一侧面设置有定位槽，超声刀首先放置在定位槽内；之后，固定板包裹超声刀，并与底座通过销轴进行固定。
可选的，视觉跟踪标识装置包括：标识板连接座和标识板；标识板连接座固定安装在底座表面上；标识板与标识板连接座紧固连接。
进一步的，标识板为十字形板，该十字形板的中心连接标识板连接座，十字形板的四个端头设置有跟踪标识部。
可选的，连接部包括：末端连接件、锁紧把手、锁紧地脚和紧固螺钉；锁紧地脚的一端连接至机械臂末端的传感器固定件的外侧；锁紧地脚的另一端通过紧固螺钉与锁紧把手连接，且连接部分通过末端连接件安装在底座内部。
进一步的，连接部还包括护套，该护套套设在末端连接件外部。
本发明的另一个方面，还提供了一种手术导航机器人，该手术导航机器人配置有上述第一方面描述的机械臂末端夹持装置。
可选的，视觉跟踪标识装置的视觉跟踪定位过程，包括如下步骤：
S1：对标识板上的跟踪标识部进行亚像素定位；
S2：对S1中的跟踪标识部进行聚类，删除可能重复的跟踪标识部；
S3：找到与S2中的跟踪标识部对应的匹配点；
S4：通过视差计算获得S3中的跟踪标识部的深度参数，得到对应的三维定位参数。
通过本发明的机械臂末端夹持装置及其手术导航机器人，可以实现如下有益效果：
(1)视觉跟踪标识装置位于超声刀上方，保证标识板始终可以被图像采集设备识别；
(2)超声刀通过超声刀锁紧装置固定，并通过连接部连接机械臂末端，从而连接至机械臂，通过机械臂运动带动和控制超声刀运动；无需手术操作人员持续手持超声刀进行作业，解决了人手操作易疲劳，提高手术操作精度和效率；
(3)超声刀锁紧装置为可拆装设计，一方面通过销轴锁紧保证超声刀与机械臂的牢固连接；另一方面便于拆卸或更换超声刀，便于操作。
附图说明
图1为本发明优选实施例的机械臂末端夹持装置的结构总成图；
图2为本发明优选实施例的机械臂末端夹持装置的一侧面的视图；
图3为本发明优选实施例的机械臂末端夹持装置的结构***图；
图4为本发明优选实施例的手术导航机器人在进行视觉跟踪标识定位的流程图。
其中，
1-机械臂末端；
11-末端法兰；12-传感器；13-传感器固定件；
2-超声刀锁紧装置；
21-底座；22-固定板；23-销轴；24-超声刀；241-超声刀手柄；242-超声刀刀头；
3-视觉跟踪标识装置；31-标识板连接座；32-标识板；33-跟踪标识部；
4-连接部；41-末端连接件；42-锁紧把手；43-锁紧地脚；44-紧固螺钉；45-护套。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
针对现有的手持超声骨刀脊柱手术，存在手术精度差、手术稳定性无法保证等问题。本发明提供了一种机械臂末端夹持装置及手术导航机器人，采用带有一定倾斜角度的标识板，且标识板的位置始终位于超声刀的上方，保证标识板始终可以被图像采集设备识别。同时，超声刀连接至机械臂，跟随机械臂运动而运动，一方面保证超声刀运动时的稳定，另一方面通过机械臂控制取代人手持，减轻手术操作人员作业疲劳，提高手术精度与效率。
本发明实施例的一个方面，优选的，提供了一种机械臂末端夹持装置，参考图1和图2，包括：机械臂末端1、超声刀锁紧装置2、视觉跟踪标识装置3和连接部4；其中，超声刀24锁紧装置2通过连接部4与机械臂末端1紧固连接；超声刀24置于超声刀锁紧装置2内并紧固；视觉跟踪标识装置3安装在超声刀锁紧装置2上，且位于超声刀24上方；机械臂运动带动超声刀运动。
优选的，机械臂末端1包括：末端法兰11、传感器12和传感器固定件13；使用若干组紧固螺栓依次将末端法兰11、传感器12和传感器固定件13进行紧固装配，形成一体结构，并与机械臂连接。
优选的，传感器12使用力传感器，力传感器可与机械臂的控制装置电连接，从而实现电信号传输。通过控制机械臂进行手术操作，不需要操作者手持超声刀进行手术，极大程度降低了操作者的作业负担，减轻疲劳感，提升手术精准度和作业效率。
优选的，超声刀锁紧装置2包括：底座21、固定板22和销轴23；其中，底座21一侧面设置有定位槽，超声刀24首先放置在定位槽内；之后，固定板22包裹超声刀24，并与底座通过销轴23进行固定。
具体的，进一步参考图3，在本实施例中，超声刀24包括上部的一个超声刀手柄241和下部的一个超声刀刀头242，使用超声刀锁紧装置2固定超声刀24时，优选超声刀手柄241处进行紧固固定。
优选的，视觉跟踪标识装置3包括：标识板连接座31和标识板32；标识板连接座31固定安装在底座21表面上；标识板32与标识板连接座31紧固连接。
进一步的，标识板32优选的为十字形板，该十字形板的中心连接标识板连接座31，十字形板的四个端头设置有跟踪标识部33。十字形板用于计算超声刀与机械臂的空间相对位置关系，并实现跟踪和定位。
优选的，十字形板具有一个朝向图像采集装置(例如双目相机)的倾斜角度，且其位置始终在超声刀上方，可以保证在手术过程中，十字形板始终可见，其上的跟踪标识部始终可以被清晰的识别。
优选的，连接部4包括：末端连接件41、锁紧把手42、锁紧地脚43和紧固螺钉44；锁紧地脚43的一端连接至机械臂末端1的传感器固定件13的外侧；锁紧地脚43的另一端通过紧固螺钉44与锁紧把手42连接，且连接部分通过末端连接件41安装在底座21内部。
进一步的，连接部4还包括护套10，该护套10套设在末端连接件41外部。
本发明实施例的另一个方面，还提供了一种手术导航机器人，该手术导航机器人配置有上述第一方面描述的机械臂末端夹持装置，具体的参考图3。
优选的，视觉跟踪标识装置3的视觉跟踪定位过程，包括如下步骤：
S1：对标识板上的跟踪标识部进行亚像素定位；
S2：对S1中的跟踪标识部进行聚类，删除可能重复的跟踪标识部；
S3：找到与S2中的跟踪标识部对应的匹配点；
S4：通过视差计算获得S3中的跟踪标识部的深度参数，得到对应的三维定位参数。
进一步的，跟踪标识部的三维坐标(Xc,Yc,Zc)，可通过下式计算得到：
Figure BDA0003660168450000071
Figure BDA0003660168450000072
Figure BDA0003660168450000073
式中(xl,yl)和(xr,yr)分别表示X角点在双目相机左右视图中的像素坐标；d＝xl-xr即为视差；(cx,cy)为像素中心点，X轴和Y轴方向上的归一化焦距分别对应为：fx＝f/dx、fy＝f/dy；基线距离b可由双目相机标定获得。
本发明的机械臂末端夹持装置及手术导航机器人，使超声刀与机械臂连接，通过机械臂运动带动和控制超声刀运动；无需手术操作人员持续手持超声刀进行作业，解决了人手操作易疲劳，提高手术操作精度和效率；视觉跟踪标识装置始终位于超声刀上方，保证标识板始终可以被图像采集设备识别。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种机械臂末端夹持装置，其特征在于，包括机械臂末端(1)、超声刀锁紧装置(2)、视觉跟踪标识装置(3)和连接部(4)；其中，
所述超声刀锁紧装置(2)通过所述连接部(4)与所述机械臂末端(1)紧固连接；超声刀置于所述超声刀锁紧装置(2)内并紧固；所述视觉跟踪标识装置(3)安装在所述超声刀锁紧装置(2)上，且位于超声刀上方；机械臂运动带动超声刀运动。
2.根据权利要求1所述的机械臂末端夹持装置，其特征在于，所述机械臂末端(1)包括，末端法兰(11)、传感器(12)和传感器固定件(13)；使用若干组紧固螺栓依次将所述末端法兰(11)、传感器(12)和传感器固定件(13)进行紧固装配；所述机械臂末端(1)与机械臂连接。
3.根据权利要求2所述的机械臂末端夹持装置，其特征在于，所述传感器(12)使用力传感器，所述力传感器与机械臂的控制装置电连接。
4.根据权利要求1所述的机械臂末端夹持装置，其特征在于，所述超声刀锁紧装置(2)包括，底座(21)、固定板(22)和销轴(23)；所述底座(21)一侧面设置有定位槽，超声刀(24)放置在所述定位槽内；所述固定板(22)包裹超声刀(24)，并与所述底座(21)通过所述销轴(23)固定。
5.根据权利要求4所述的机械臂末端夹持装置，其特征在于，所述视觉跟踪标识装置(3)包括，标识板连接座(31)和标识板(32)；所述标识板连接座(31)固定安装在所述底座(21)表面上；所述标识板(32)与所述标识板连接座(31)紧固连接。
6.根据权利要求5所述的机械臂末端夹持装置，其特征在于，所述标识板(32)为十字形板，所述十字形板的中心连接所述标识板连接座(31)，所述十字形板的四个端头设置有跟踪标识部(33)。
7.根据权利要求4所述的机械臂末端夹持装置，其特征在于，所述连接部(4)包括，末端连接件(41)、锁紧把手(42)、锁紧地脚(43)和紧固螺钉(44)；所述锁紧地脚(43)的一端连接至所述机械臂末端(1)的传感器固定件(13)的外侧；所述锁紧地脚(43)的另一端通过所述紧固螺钉(44)与锁紧把手(42)连接，且连接部分通过所述末端连接件(41)安装在所述底座(21)内部。
8.根据权利要求7所述的机械臂末端夹持装置，其特征在于，所述连接部(4)还包括护套(45)，所述护套(45)套设在所述末端连接件(41)外部。
9.一种手术导航机器人，其特征在于，采用权利要求1-8任意一项所述的机械臂末端夹持装置。
10.根据权利要求9所述的手术导航机器人，其特征在于：所述视觉跟踪标识装置(3)的视觉跟踪定位过程包括如下步骤，
S1：对标识板上的跟踪标识部进行亚像素定位；
S2：对S1中的跟踪标识部进行聚类，删除可能重复的跟踪标识部；
S3：找到与S2中的跟踪标识部对应的匹配点；
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